Mecanismos de defensa de las plantas superiores

Dra. Catiana Zampini 2012

UV

INTERACCIÓN

Planta- Microorganismo Planta- Planta Planta- Estrés

¿Cómo una planta se defiende del ataque de un microorganismo?

Mecanismos de Defensa Constitutivos

Inducidos

(preformados antes del ataque por un patógeno)

(en rpta al ataque por un patógeno )

Estructurales y químicos

Defensas constitutivas Cutículas gruesas y ceras cuticulares Tricomas (pelos foliares)

Estructurales

Estructura y función de estomas Células especializadas: células de esclerénquima (paredes gruesas, células lignificadas, en gramíneas )

Químicas

Compuestos tóxicos constitutivos: glucósidos, saponinas, alcaloides Proteínas antifúngicas Enzimas inhibidoras

Ceras cuticulares

Tricomas

Estomas

Xanthomonas axonopodis pv citri

Citrus nobilis resistente estomas < 1,5 µm Citrus grandis susceptible estomas 9,8 a 11 µm

Defensas constitutivas químicas

En forma Activa Compuestos biológicamente activos o inhibidores de la patogenicidad Alcaloides, saponinas

Precursores inactivos En vacuolas u organelas

Defensa inducida Reconocimiento del patógeno por la planta Hipótesis gen - por - gen Planta gen de resistencia R Patógeno gen de avirulencia Avr Interacción entre el receptor transmembrana (R) y el ligando (Avr) Posibilita detección del patógeno

Se activa cascada de señales que induce la defensa

Respuesta de defensa 1° Nivel de respuesta: Resistencia local adquirida (LAR) 2° Nivel de respuesta: Resistencia sistémica adquirida (SAR) (Implica existencia de sistema de señales de transmisión a través de los tejidos

Toma de Ca++ extracelular------- despolarización de la mb Activación de β-1,3-glucan sintetasa ---- calosa Estallido oxidativo producción de ERO Muerte celular por Reacción Hipersensitiva Acumulación de metabolitos 2° con actividad antimicrobiana Estimulación de la actividad enzimática (PAL, CHS, CHI) Acumulación de enzimas hidrolíticas Deposición de sustancias de refuerzo

EVITAR AVANCE DEL PATÓGENO

Genes Avr

Patógeno

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Factor de avirulencia

Pared celular

H2O2

SAR

O2•

Receptor extracelular

Ca++ Ca++

Célula Hospedante

Muerte celular programada HR

Efecto antimicrobiano

Acido salicílico

Estallido oxidativo

Factor de avirulencia

Receptor intracelular

Respuestas de defensa -Fitoalexinas -Proteínas PR -LAR -Barreras estructurales -etc

Vías de Transducción de señales

Citosol

__ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __

Núcleo

Genes R

__ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __ __

Genes de defensa

Sistema de Alarmas Provienen de la planta

Bióticos Química : Elicitores (o inductores)

Provienen del huésped

Abióticos: heridas, Eléctrica

Intoxicaciones, irradiaciones (CHCl3, iones cúpricos, cloruro mercúrico)

Elicitores Sust que provocan la síntesis y acumulación de fitoalexinas en el huesped.

Elicitores provenientes del hongo Todas las categorías taxonómicas de hongos Poseen sustancias elicitoras Algunos hongos parásitos inducen producción insuficiente de fitoalexinas

-Presencia de elicitores poco activos -Producen sust. que bloquea efecto del elicitor -Modifica el control de la biosíntesis de fitoalexinas -Posee capacidad de metabolizar las fitoalexinas

Elicitores provenientes del hongo Polisacáridos Quitina Quitosano β-glucanos

Hay glucanasas y quitinasas de vacuolas y PC, por lo que los verdaderos elicitores podrían ser derivados de la degradación Phytophthora megasperma----- alfalfa (Medicago sativa )

(β-1,4 poliglucosamina) (β-1,4-N-acetilglucosamina) Raices de alfalfa con P. megasperma-

Péptidos Monilicolina A Monilia fructicola ----- durazno Prunus persica Ácido elaídico Verticillium dahliae----- Olivo Olea europaea Ácido araquidónico Phytophthora infestans Ácido eicosapentanoico algodón (Gossypium hirsutum papa (S. tuberosum)

Durazno afectado por Monilia fructicola

Papa con tizón producido por Phytophthora infestans

Olivo con verticilosis

Ácido araquidónico

Elicitores provenientes del vegetal En la infección el hongo secreta pectinasas Oligosacáridos del ác. D- galacturonico Oligosacáridos da la 1° señal de alarma (elicitor de la planta ) Induce la síntesis de glucanasas y quitinasas (fragmentan PC del hongo)

Modelo de reconocimiento y señalización desencadenado por el elicitor flagelina en Arabidopsis

Mensajeros a distancia -Etileno -Éster metílico del ácido salicílico -Ruta de los octadecanoides u oxilipinas: metil jasmonato

Modo de acción de los elicitores Elicitores no poseen especificidad de huesped Monilicolina A estimula PAL y acumulación de fitoalexinas En Arvejas y poroto (isoflavonas) En papa (rishitina) Botritis cinerea (elicitor glucano y glicoproteínas) En poroto: estimula PAL y enzimas de biosíntesis de isoflavonas En uva: aumenta derivados del estilbeno En haba acumula poliacetileno Faseolina

Las células reconocen la estructura de los elicitores con alta especificidad Se cree que hay receptores específicos en la mb plasmática donde se unen elicitores

Defensas Inducidas Químicas y Estructurales

-Producción de Fitoalexinas -Acumulación de proteínas PR -Formación de Barreras estructurales. lignina y calosa

Fitoalexinas Son metabolitos 2° de bajo peso molecular con propiedades antimicrobianas que se producen y acumulan en la planta cuando es atacada por un microorganismos Fitoanticipinas: compuestos antimicrobianos presentes en forma constitutiva en la plantas sanas en niveles basales bajos Biosíntesis de Fitoalexinas -Derivadas del metabolismo de los fenilpropanoides -Derivadas del acetileno -Derivados de la ruta del mevalonato: terpenoides

Algunas fitoalexinas de distintas familias de las leguminosa Especie Narcissus pseudonarcissus Beta vulgaris Gossypium hirsutum Daucus carota Ipomoea batata Carthamus tinctorius Ricinus communis Oryza sativa Vitis vinifera Vicia faba Solanum tuberosum

Fitoalexina 7.hidroxiflavano (flavanona) betavulgarina (isoflavona) gosipol (sesquiterpeno) 6-metoximeleina (isocumarina) ipomeamarona (sesquiterpeno) safinol (derivado de acetileno) carbene (diterpeno) momilactona A (diterpeno) resverastrol (estilbeno) ácido wierónico (derivado de acetileno) rishitina (sesquiterpeno)

Proteínas relacionadas con patogénesis Proteínas PR -Se acumulan durante y después de la infección -Bajo PM -Resistentes a proteasas -pH extremos β-1,3-glucanasas (PR2) Quitinasas (PR3) Trigo y arroz que sobre expresan quitinasa son resistente a Erysiphe graminis y Magnaporthe grisea, respectivamente

Formación de Barreras Estructurales Cambios en la estructura y función de la pared celular Lignificación Lignina: polímero producido por unión enzimática de unidades fenilpropanoides PAL: importante papel regulador -Confiere impermeabilidad y resistencia mecánica

Formación de papilas Se producen por modificación de las células epidérmicas -Compuestas principalmente por calosa (β- 1,3-glucano) -Evita penetración del hongo

Genes Avr

Patógeno

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Factor de avirulencia

Pared celular

H2O2

SAR

O2•

Receptor extracelular

Ca++ Ca++

Célula Hospedante

Muerte celular programada HR

Efecto antimicrobiano

Acido salicílico

Estallido oxidativo

Factor de avirulencia

Receptor intracelular

Respuestas de defensa -Fitoalexinas -Proteínas PR -LAR -Barreras estructurales -etc

Vías de Transducción de señales

Citosol

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Núcleo

Genes R

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Genes de defensa

Alelopatía Interacción Planta-Planta Definición Molisch 1937- Introduce el término Da alelon, de otro y pathos, sufrir Que sufre el efecto injurioso de uno sobre el otro “interacciones bioquímicas tanto benéficas como perjudiciales entre toda clase de plantas (incluyendo a uorg) mediadas por compuestos químicos liberados al medio ” Muller 1970 Restringe el término alelopatía a las interacciones entre plantas superiores

Alelopatía

Efecto nocivo de un compuesto presente en una planta superior sobre otra planta superior

Sustancia: agente alelopático o aleloquímico

Desarrollo del conocimiento de la alelopatía Plinio 23-27 DC

Nogal (Juglans regia)

De Candolle 1832

Cardos nocivos para avena Euphorbia nocivo para lino

Massey 1925

Juglans nigra nocivo para tomate y alfalfa

Agente alelopático: hidroxinaftoquinona (juglona) 4 glucósido del 1,4,5 – trihidroxinaftaleno (partes verdes de la planta) Arrastrado por las lluvias al suelo. Hidrólisis y oxidación

Juglona Zarzamora o frambuesa (Rubus sp.) no son sensibles

Juglona al 0,002% produce inh total de germinación de semillas

Chaparral californiano Formación arbustiva-herbácea xerófila Alrededor de formaciones arbustiva se observa inhibición herbácea Arbustos Salvia leucophylla Artemisia californica

Agente alelopático Terpenos en hojas 1,8-cineol y alcanfor

Hierbas inhibidas Avena fatua Bromus sp. Festuca sp.

Vapores inflamables Alcanfor

1,8-cineol

Germinan semillas de arbustos

Incendios

Prosperan las herbáceas Se restablecen halos de inh

Muchas malezas afectan el crecimiento de las plantas cultivadas Parthenium hysterophorus (falsa altamisa) Agente alelopático: partenina (lactona sesquiterpénica)

Es posible que la actividad alelopática se deba a veces a un complejo de agentes alelopáticos que actúan sinérgicamente

Naturaleza química de los agentes alelopáticos Los agentes alelopáticos pertenecen a muy diversos tipos de compuestos químicos

Glicósidos cianogénicos: amigdalina, prunasina, durrina Aminoácidos no proteicos: mimosina, homoarginina, 3,4dihidroxifenilalanina, ác. α-amino-β-metilaminopropiónico, ác. α-βdiaminopropiónico, canavanina, 4-hidroxiprolina, 4 hidroxiarginina, Compuestos fenólicos simples: arbutina, hidroquinona, ác. benzoico, ác. gálico, ác. elágico, ác. salicílico, ác. vainillínico., ác. cinámico, ác. sinápico, ác. cafeico, ác. clorogénico, ác. cumárico. Quinonas: juglona Lactonas no saturadas: Psilotina, psilotinina----- Psilotum nodum

Cumarinas: escopoletina, escopolina, esculina, esculetina, metilesculetina, cumarina (Melilotus albus), psoraleno (umbelíferas) Flavonoides: floridzina (Malus sp.), glicósidos del quempferol, quercetina, miricetina y la rotenona Taninos: tanto condensados como hidrolizables. Inh germinación de semillas, inh bacterias fijadoras de nitrógeno y bacterias nitrificantes e inhiben el crecimiento vegetal. Terpenoides: Monoterpenos: α-pineno, β-pineno, alcanfor Sesquiterpenos: cariofileno, bisaboleno, chamazuleno Lactonas sesquiterpénica: arbusculina A, aquilina, viscidulina C Alcaloides: cocaína, cafeína, quinina, cinconina, cinconidina, estricnina, berberina y codeína

Biosíntesis de los agentes alelopáticos

-Se biosintetizan por las diferentes vías estudiadas -Siempre están presentes en la planta -No necesitan un estímulo -No se conocen mecanismos de regulación

Liberación al medio de los agentes alelopáticos -Exudados de raíz: juglona Compuestos alelopáticos se acumulan en la célula

Pueden -Exudados de hojas y frutos liberarse al medio -Descomposición de partes de la como planta caídas al suelo (ác. cafeico) -Compuestos volátiles exudados por partes aéreas de la planta (etileno, cineol, β-pineno)

Mecanismos de acción de los comp. alelopáticos No se puede hablar de un solo mecanismo de acción

Mecanismos de Acción

-Perturban absorción de minerales -Perturban fotosíntesis y respiración -Interfieren en procesos hormonales -Producen bloqueos enzimáticos -Modifican permeabilidad de membrana -Modifican apertura estomática

¿Cómo estudiar el efecto alelopático? Bioensayos en cajas de Petri: se hace crecer una planta en presencia de un extracto de la planta en estudio Analizar algún síntoma en la planta: germinación de semilla, elongación de tallo, raices Si existen síntomas inhibitorios Fraccionamiento, purificación e identificación del comp. activo

Inconvenientes

-Cambios degradativos de la sustancia por el manejo -Interacción fisicoquímica con partículas del suelo -Aumento o disminución de la actividad por la presencia de otros compuestos

Gracias por la atención